-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Mehrfachspule für
eine elektrische Maschine mit mehreren Einzelspulen, die miteinander
in Reihe verbunden sind. Darüber
hinaus betrifft die vorliegende Erfindung Träufelwicklungen, die aus derartigen
Mehrfachspulen hergestellt sind. Schließlich betrifft die vorliegende
Erfindung auch ein entsprechendes Herstellungsverfahren von Träufelwicklungen.
-
Bislang wurden Träufelwicklungen mit Runddrähten ausgeführt. Bei
der Träufelwicklung
ist der Streusteg schmäler
als die Nutbreite, so dass keine Formspulen in die Nut eingelegt
werden können. Stattdessen
müssen
einzelne Drähte
nacheinander durch der Streusteg in die Nut „eingeträufelt" werden. Bei den derzeit eingesetzten
Runddrähten
ergibt sich durch die unvermeidbaren Zwischenräume zwischen den Runddrähten eine
relativ schlechte Nutfüllung.
-
Bei der Herstellung von Träufelwicklungen werden üblicherweise
Mehrfachspulen verwendet. Eine derartige Mehrfachspule besteht aus
2, 3, 4, 5 usw. Einzelspulen, die vor der Montage in die Nuten eines
Stators oder Rotors einer elektrischen Maschine zusammenhängend gewickelt
wurden. Üblicherweise
werden in einer Nut mehrere Mehrfachspulen als Teilspulen in übereinanderliegenden
Ebenen beziehungsweise Schichten aus Gründen der Stromverdrängung angeordnet.
Da die Einzelspulen verhältnismäßig starr
sind, gestaltet sich das Einträufeln und
das Formen des Wickelkopfs sehr aufwändig.
-
In diesem Zusammenhang ist aus der
internationalen Patentanmeldung WO 02/11268 bekannt, dass Wicklungen,
deren Spulen aus Litze hergestellt sind, eine einfachere Herstellung
als herkömmliche Formspulenwicklungen
mit Rechteckdrähten
erlau ben. Die Wicklungen eignen sich unter anderem für rotierende
elektrische Hochspannung- oder Niederspannungsmaschinen. Mit Hilfe
rechteckig geformter Litzen lassen sich flachkant und hochkant gewickelte Spulen
in unterschiedlichsten Formen herstellen.
-
Weiterhin ist der deutschen Patentschrift
DE 198 46 923 C1 zu
entnehmen, dass in die zu bewickelnden Nuten des Ständers einer
elektrischen Maschine eine an sich bekannte mehrphasige Wicklung eingelegt
wird. Diese Wicklung innerhalb der Nut wird aus quadratischen oder
rechteckförmigen
Litzenleitern gewickelt, wobei sie weitestgehend pro Spulengruppe
durchgängig
geschleift ausgebildet ist. Dabei erfolgt eine Direktbewicklung
der Zähne
in der Art und Weise, dass in der Nut zwei Spulenseiten unterschiedlicher
Spulen nebeneinander oder übereinander
liegen oder bei Wegfall jeder zweiten Spule in der Nut nur eine
Spulenseite liegt.
-
Darüber hinaus ist in der deutschen
Auslegeschrift
DE 19
37 377 B2 ein Stator für
einen Einphasen-Induktionsmotor und ein Verfahren zur Herstellung
des Stators beschrieben. Bei der Herstellung wird eine Spule, nachdem
sie in einer Nut angeordnet worden ist, mittels eines entsprechenden
Werkzeugs zusammengepresst, das radial nach außen eine Kraft auf die Spule
ausübt.
Die ausgeübte
Druckkraft wandelt den ursprünglich
praktisch kreisförmigen Querschnitt
der einzelnen Drähte
in einen nichtkreisförmigen
polygonalen Querschnitt um, ohne dass die Drahtisolierung beschädigt wird.
Dadurch werden die Lücken
zwischen den einzelnen Leitern wesentlich verkleinert und der Füllfaktor
wird wesentlich vergrößert. Weiterhin
ist dort beschrieben, dass die erforderliche Druckkraft bei Verwendung
von isolierten Aluminiumdrähten
kleiner sein kann als bei einem Kupferdraht.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht somit darin, Mehrfachspulen vorzuschlagen, mit denen sich
Träufelwicklun gen
leichter herstellen lassen. Darüber
hinaus soll ein entsprechendes Herstellungsverfahren ermittelt werden.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird diese Aufgabe gelöst
durch eine Mehrfachspule für
eine elektrische Maschine mit mehreren Einzelspulen, die miteinander
in Reihe verbunden sind, wobei die Einzelspulen aus Litze gefertigt
sind.
-
Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen
ein Verfahren zum Herstellen einer Träufelwicklung einer elektrischen
Maschine durch Bereitstellen von mehreren Mehrfachspulen mit jeweils
mehreren Einzelspulen, wobei jede Mehrfachspule bezüglich der
axialen Richtung der elektrischen Maschine eine linke und rechte
Hälfte
besitzt, und Einträufeln
der Mehrfachspulen in Nuten der elektrischen Maschine, wobei beim
Einträufeln
einer der Mehrfachspulen Einzelspulenabschnitte einer der Hälften der
Mehrfachspule in mehreren radialen Ebenen der Nuten angeordnet werden.
-
In vorteilhafter Weise wird die Nutfüllung von Träufelwicklungen
durch den Einsatz von unisolierten oder isolierten Litzendrähten in
beliebiger Form und Ausbildung erhöht. Durch die spezielle Einlegefolge von
unterteilt gewickelten Spulen in mehreren radialen Ebenen beziehungsweise
Schichten wird der bei Litzendrähten
aufgrund der Verdrillung bereits reduzierte Stromverdrängungseffekt
noch deutlich weiter vermindert.
-
Die Flexibilität der Litzen erlaubt, dass
die Spulen zusammenhängend
gewickelt werden. Damit entfallen die Schaltverbindungen zwischen
den Spulen einer Gruppe und den verschiedenen Spulengruppen, was
zu Kosteneinsparungen führt.
Eine weitere Kostenreduzierung kann erreicht werden, indem die Litze
direkt auf die Verbindungsstelle zum nächsten Bauteil geführt wird
und somit das Anschließen
von separaten Leitungen entfällt.
Außerdem
können
durch die Litzentechnik die Ausladungen der Wickelköpfe reduziert
werden, so dass ein hö herer
Wirkungsgrad der elektrischen Maschine bei gleichem Bauraum erzielt
werden kann.
-
Die Flexibilität der Litze bei Träufelwicklungen
ermöglicht
auch, den Wickelkopf derart zu gestalten, dass eine bessere Entwärmung möglich ist. So
kann der Wickelkopf beispielsweise in Blattform gestaltet werden,
die eine vergleichsweise hohe Oberfläche besitzt und damit einen
erhöhten
Wärmeabtransport
garantiert.
-
Die für die Träufelwicklungen verwendeten Litzen
können
einen rechteckförmigen
Querschnitt wie bei Flachdrahtspulen besitzen. Damit ist ebenfalls
ein hoher Nutfüllfaktor
gewährleistet.
Die Litzendrahtspulen erfordern aber nicht im Gegensatz zu Flachdrahtspulen
ein Durchrunden der Spulenstirnseiten vor dem Einbau.
-
Die Litzendrähte zur Herstellung der Träufelwicklungen
können
auch einen verformbaren Querschnitt besitzen. Falls die Filamente
jeder Litze nicht künstlich
isoliert sind, ist der Litzenquerschnitt in der Regel auch ohne
weiteres verformbar und passt sich während des Wickelns an die Nutform
beziehungsweise die bereits in die Nut eingebrachten Litzen an. Ebenso
anpassungsfähig
sind Litzen, die beispielsweise durch Extrusion in hochflexible
Massen zur Isolation eingebettet sind. Dieser umformbare Querschnitt
der Litzen ermöglicht
grundsätzlich
höhere Nutfüllfaktoren
und damit bessere elektrische Kennwerte.
-
Vorzugsweise werden die Litzen oder
Einzelspulen durch Extrusion isoliert. Dies hat den Vorteil, dass
auf komplizierte Isolationsverfahren verzichtet werden kann.
-
Aus Stromverdrängungsgründen ist es günstig, wenn
die Mehrfachspulen, aus denen die Träufelwicklungen hergestellt
sind, Teilspulen darstellen, mit denen die Nuten der elektrischen
Maschine schichtweise gefüllt
sind. Aufgrund der Teilung wird der durch die Litzen verminderte
Stromverdrängungseffekt
der Spulen in einer Nut weiter vermindert.
-
Eine weitere Verminderung der Stromverdrängung kann
durch spezielle stromverdrängungsarme
Einlegetechniken erzielt werden. Vorteilhaft dabei ist, die Spulenabschnitte
einer bezogen auf die axiale Richtung der elektrischen Maschine
linken oder rechten Hälfte
einer Mehrfachspule in unterschiedlichen radialen Ebenen der Nuten,
d. h. Zylindermantelflächen
unterschiedlicher Radien, einzuträufeln. Hierzu können auch
Abschnitte unterschiedlicher Einzelspulen einer Mehrfachspule in
mehreren Ebenen einer einzigen Nut eingeträufelt werden.
-
Die vorliegende Erfindung wird nun
anhand der beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert,
in denen zeigen:
-
1 eine
Draufsicht auf zwei Teilspulen;
-
2 einen
Querschnitt durch Nuten mit den eingelegten Spulen von 1;
-
3 eine
Draufsicht auf zwei Teilspulen;
-
4 einen
Querschnitt durch Nuten, in die die Teilspulen von 3 eingeträufelt sind;
-
5 eine
Draufsicht auf eine Mehrfach-Teilspule Beta 3 + 3;
-
6 einen
Querschnitt durch Nuten, in die die Spulen von 5 eingeträufelt sind;
-
7 einen
Querschnitt durch Nuten, in die die Spule von 5 gemäß einer
anderen Ausführungsform
eingeträufelt
sind;
-
8 einen
Querschnitt durch eine Nut mit eingeträufelter Runddrahtwicklung;
-
9 einen
Querschnitt durch eine Nut mit eingeträufelter Litzendrahtwicklung
mit eckigem Leiterquerschnitt; und
-
10 einen
Querschnitt durch eine Nut mit einer eingeträufelten Litzendrahtwicklung
mit beliebigem Leiterquerschnitt.
-
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen
stellen bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung dar.
-
In 1 sind
zwei Mehrfachspulen 1 und 2 dargestellt. Beide
Mehrfachspulen 1 und 2 stellen jeweils Teilspulen
dar, die in mehreren Schichten in die Nuten einer elektrischen Maschine
eingeträufelt
werden. Im konkreten Fall handelt es sich bei den beiden Teilspulen 1 und 2 um
Vierfachspulen mit jeweils vier Einzelspulen A beziehungsweise B.
Jede der Teilspulen 1 und 2 besitzt jeweils eine
linke und rechte Hälfte
bezogen auf die jeweiligen Symmetrieachse S1 beziehungsweise S2.
Die Symmetrieachsen S1 und S2 verlaufen in axialer Richtung der
elektrischen Maschine.
-
In 2 ist
zur besseren Erläuterung
der Erfindung dargestellt, wie die Teilspulen 1 und 2 gemäß 1 üblicherweise in die Nuten einer
elektrischen Maschine eingeträufelt
werden. Die axial verlaufenden vier Leiter A der rechten Hälfte der
Teilspule 1 sind in eine erste Nutgruppe 3 am
Nutgrund eingeträufelt.
In einer darüber
liegenden Schicht sind die Leiter der vier Einzelspulen der rechten
Hälfte
der Teilspule 2 in die Nutgruppe 3 eingeträufelt. Diese beiden
Schichten bilden die Unterschicht der Nutgruppe 3.
-
Die beiden linken Hälften der
Teilspulen 1 und 2 sind in zwei Einzelschichten
in eine zweite Nutgruppe 4 als Oberschicht eingeträufelt. Die
Unterschicht der zweiten Nutgruppe 4 wird durch ein anderes
Teilspulenpaar gebildet. Durch diese Art des Einträufelns in
die Unter- und Oberschichten der Nuten wird der Effekt der Stromverdrängung in
einem gewissen Grad reduziert.
-
In 3 sind
wiederum zwei Teilspulen 1 und 2 dargestellt,
die mit den Vierfach- beziehungsweise Teilspulen 1 und 2 von 1 identisch sind. Im Fall
von 3 sind lediglich
die beiden äußeren Einzelspulen
der Teilspule 1 mit A1 und die beiden inneren Einzelspulen
mit A2 bezeichnet. In gleicher Weise sind die beiden äußeren Einzelspulen
der Teilspule 2 mit B1 und die beiden inneren Einzelspulen
der Teilspule 2 mit B2 bezeichnet.
-
4 zeigt
nun eine erfindungsgemäße Einlege-
beziehungsweise Einträufeltechnik,
bei der die Leiter jeder Hälfte
der Teilspulen in unterschiedlichen Ebenen beziehungsweise Schichten
in den Nuten abgelegt sind. Am Nutgrund der Nutgruppe 3 befinden
sich in diesem Fall die äußeren beiden
Leiter A1 der Teilspule 1 und die inneren beiden Leiter
B2 der Teilspule 2. In der darüber liegenden Schicht befinden
sich über
den Leitern A1 die äußeren Leiter
B1 der Teilspule 2 und über
den inneren Leitern B2 der Teilspule 2 die inneren Leiter
A2 der Teilspule 1. Diese Leiteranordnung bildet wiederum
die Unterschicht der Nutgruppe 3. Versetzt in der Nutgruppe 4 bilden wiederum
die linken Hälften
der Teilspulen 1 und 2 die Oberschicht. In gleicher
Weise bilden hier die erste Schicht die äußeren Leiter A1 der Teilspule 1 und die
inneren Leiter B2 der Teilspule 2. Die oberste Schicht
wird entsprechend von den äußeren Leitern B1
der Teilspule 2 und den inneren Leitern A2 der Teilspule 1 gebildet.
Der Versatz der Leiter jeder Teilspule innerhalb der Einzelschichten
sowohl der Unterals auch der Oberschicht der Nuten bringt eine zusätzliche
Reduzierung der Stromverdrängung
in den Leitern.
-
In 5 ist
eine Teil- beziehungsweise Mehrfachspule 10 dargestellt,
die aus zwei zusammenhängenden
gewickelten Spulen 5 und 6 mit jeweils drei Einzelspulen
besteht. Die Spule 5 kann hier ausgehend von der Darstellung
in 5 als linke Hälfte und
die Spule 6 als rechte Hälfte der Mehrfachspule betrachtet
werden. Die eingewickelte Spulenverbindung 7 stellt den Übergang
zwischen den beiden Spulen 5 und 6 dar.
-
In 6 ist
wiedergegeben, wie drei derartige Mehrfachspulen 10, 20, 30 in
die Nuten einer elektrischen Maschine eingebaut werden, wobei insgesamt
drei Schichten in der Unterschicht und drei Schichten in der Oberschicht
entstehen. Die Leiter A1 der rechten Hälfte der linken Spule 5 der
in 5 dargestellten Mehrfachspule 10 sind
am Nutgrund einer aus sechs Nuten bestehenden Nutgruppe gemäß 6 eingebaut. Ebenfalls am
Nutgrund in den rechts anschließenden
drei Nuten der Nutgruppe befinden sich die Leiter der rechten Hälfte der
rechten Spule 6 einer Teilspule 30. Über dieser
ersten Schicht am Nutgrund befinden sich die Leiter B1 und B2 der rechten
Hälften
der Spulen einer Teilspule 20. In einer dritten Schicht
darüber
befinden sich über
den Leitern A1 die Leiter C1 der rechten Hälfte der linken Spule der Teilspule 30.
Ferner befinden sich über
den Leitern C2 in der dritten Schicht die Leiter A2 der rechten
Hälfte
der rechten Spule der Teilspule 10. Diese drei Schichten
bilden wiederum die Unterschicht der Nutgruppe. Links der gestrichelten
Linien in 6 befinden
sich somit die Leiter der jeweils linken Spule jeder Mehrfach- beziehungsweise
Teilspule und rechts der gestrichelten Linie jeweils die Leiter der
rechten Spule.
-
Die Oberschicht in einer versetzten
Nutgruppe ist sinngemäß aufgebaut.
Der Aufbau ergibt sich ohne weiteres aus 6.
-
In 7 ist
eine sogenannte KK-Wicklung mit drei unterteilt gewickelten Teilspulen 100, 200 und 300 dargestellt.
Jede Teilspule besteht ähnlich
der in 5 dargestellten
Teilspule aus einer linken Spule und einer rechten Spule. Beide
Spulen sind jedoch nicht miteinander verbunden. In diesem Fall sind
die drei Teilspulen 100, 200 und 300 in
zwei Nutgruppen mit jeweils fünf
Nuten eingebaut. Dabei befinden sich die Leiter A1, B1 und C1 der
jeweiligen linken Spulen übereinandergeschichtet
in der Unterschicht der Nuten und die Leiter A2, B2 und C2 der jeweils
rechten Spulen übereinandergeschichtet
in der Oberschicht der Nuten einer jeweiligen Nutgruppe. Die drei
Teilspulen 100, 200 und 300 füllen dabei
die Unterschicht der linken drei Nuten jeder Nutgruppe und die Oberschicht
der rechten drei Nuten jeder Nutgruppe. In der Unterschicht und
der Oberschicht sind die Teilspulen 100, 200 und 300 jeweils
in umgekehrter Reihenfolge abgelegt. Auch diese Anordnung reduziert die
Stromverdrängungseffekte.
-
Die nachfolgenden 8 bis 10 zeigen
in einem vergrößerten Maßstab, wie
die einzelnen Nuten mit Runddrähten
beziehungsweise Litzen gefüllt
werden. Zum besseren Verständnis
der Erfindung wird in Zusammenhang mit 8 die Herstellung einer Träufelwicklung
nach dem Stand der Technik erläutert.
-
8 zeigt
einen Querschnitt durch eine Nut 41, die teilweise mit
Runddrähten 42 gemäß dem Stand
der Technik gefüllt
ist. Die Runddrähte 42 werden
durch einen Nutschlitz 43 in bekannter Weise in die Nut 41 eingeträufelt. Hierbei
ist die Anordnung der einzuziehenden Drähte nahezu beliebig. Zwischen
den Runddrähten 42 ergeben
sich Zwischenräume 44 und
damit eine relativ schlechte Nutfüllung.
-
Zur Optimierung der Nutfüllung bei
Träufelwicklungen
werden erfindungsgemäß entsprechend 9 Litzen mit quadratischen
oder rechteckigen Querschnitten 45 in die Nuten 41 eingezogen
oder eingeträufelt.
Im Gegensatz zum Einziehen von Runddrähten, die in der Nut beliebig
zu liegen kommen können,
muss bei rechteckiger Litzenform der Einzeldraht in eine definierte
Lage gebracht werden. Die definierte Lage im späteren Nutbereich wird dadurch
erreicht, dass bereits beim Wickeln die einzelnen Drähte über Vorrichtungen
geführt
und an vorgegebenen Orten in der Wickelform abgelegt werden.
-
Das erfindungsgemäße Füllen einer Nut 41 mit
Litzen mit verformbarem Querschnitt 46 ist in 10 dargestellt. Leiter in
beliebig verformbarer Litzenform können mit hierfür geeigneten
Werkzeugen mit den bekannten Einziehsystemen maschinell eingezogen
werden. Im Gegensatz zum Einziehen von Runddrähten ergibt sich bei beliebig
verformbaren Litzen und bei beliebiger Nutform eine Füllung nahezu
ohne Zwischenräume.
-
Die höhere Nutfüllung kann auch mit üblichen
Einziehwerkzeugen erreicht werden. Aufgrund des sich beim Einziehen
ergebenden Drucks, insbesondere auch in senkrechter Richtung zur
jeweiligen Nut, verformen sich die umformbaren Leiter in Litzentechnik
von selbst und füllen
bei nahezu beliebigen Nutformen die komplette Nutfläche aus.
Um die aufzubringende Verformungsenergie gering zu halten, können die
Litzenleiter bereits rechteckig oder quadratisch vorgeformt sein.
-
Besonders vorteilhaft ist die umformbare
Litze dort einzusetzen, wo sich eine Nut beispielsweise nicht lückenlos
mit quadratischen Litzenleitern vorgegebenen Querschnitts füllen lässt. Entspricht
beispielsweise die Nutbreite nicht einem Vielfachen der Breite einer
Einzellitze, so würde
bei nicht verformbaren Litzen ein Spalt in der Nut nicht gefüllt werden können. Bei
im Querschnitt verformbaren Litzen 46 jedoch lässt sich
auch ein derartiger Spalt füllen.
Damit können
für beliebige
Nutquerschnitte sehr hohe Nutfüllfaktoren
erzielt werden.
-
Um die verformbaren Litzen 46 in
der Nut 41 noch stärker
als durch das reine Einziehen in die Nut zu komprimieren, können geeignete
Werkzeuge 47 verwendet werden.